[实用新型]一种基于可编程门阵列的脑机接口视觉刺激器

说明书

技术领域

本实用新型涉及医疗器械领域，尤其涉及一种脑机接口技术。 

背景技术

脑机接口形成于20世纪70年代，是一种涉及到神经科学、信号处理、模式识别等多学科的交叉技术，是一种连接大脑和外部设备的实时通信系统。脑机接口系统可以把大脑发出的信息直接转换成能够驱动外部设备的命令，并代替人的肢体或语言器官实现人与外界的交流以及对外部环境的控制。 

脑机接口技术研究中使用的脑电信号和方式包括：事件相关电位P300、视觉诱发电位(瞬态视觉诱发电位、稳态视觉诱发电位)、皮层慢电位、自发脑电节律波等。其中事件相关电位P300和视觉诱发电位都属于诱发电位，不需要训练。由于P300出现在特定时间，稳态视觉诱发电位集中于特定频率，其信号检测和处理方法较简单且正确率较高，不足之处是，需要额外的刺激装置提供刺激，并且依赖于人的某种知觉(如视觉)。 

其它几种方法的优点是不依赖外部刺激产生用于控制的脑电信号，但使用脑机接口前需要大量的训练，而且实验表明并非每个受试者通过训练都能产生稳定可控的脑电信号。脑机接口技术实际研究和应用中主要采用视觉刺激的方式获取事件相关电位P300或视觉诱发电位，因此视觉刺激器的设计直接关系到大脑信息的采集和处理方式，在脑机接口研究和应用中至关重要。 

常用的视觉诱发脑电提取方法大致有两种：1.利用稳态诱发电位(视觉刺激频率大于4Hz或6Hz)包含刺激频率及其谐波成分，通过比较诱发电位信号频谱峰值，判别注视目标。2.利用诱发电位与刺激之间有相对固定的时间间隔(锁时关系)，来检测诱发电位。如果采用方案1.屏幕上不同目标一定要采用不同的刺激频率，而且各个频率必须非常稳定，否则就会严重影响检测结果，而在PC机操作系统环境下，产生稳定的刺激频率很困难。方案2对 刺激频率的稳定性没有严格要求，易于实现。如文章《脑机接口视觉刺激器的研究》和《Windows环境下脑机接口视觉刺激器的设计》中设计的视觉刺激器。但实时分析和临床应用中PC机过大的体积和重量，直接限制了脑机接口技术的广泛应用。 

可编程门阵列FPGA是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言设计数字系统，能完成任何数字器件的功能。通过软件仿真，可以事先验证设计的正确性。在印刷电路板PCB制造完成以后，还可以利用FPGA的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用FPGA来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。 

FPGA运行速度更快，内部集成锁相环，可以倍频外部时钟；FPGA管脚多，容易实现大规模系统；FPGA内部程序并行运行，有处理更复杂功能的能力；FPGA有大量知识产权(IP)核，如累加器、除法器、减法器和MAC乘加器等，可以方便进行二次开发，用户可以通过文件或图形用户接口(GUI)方便地对参数进行操作，使用方便，功能齐全；FPGA还包含单片机和数字信号处理(DSP)软核，并且输入输出(IO)数仅受FPGA自身IO限制。 

发明内容

本实用新型针对现有技术的脑机接口视觉刺激器产生稳定的刺激频率困难，体积大、重量重等方面的缺陷，设计一种基于FPGA的脑机接口视觉刺激器。 

本实用新型解决上述技术问题的技术方案是，设计一种基于FPGA的脑机接口视觉刺激器，采用超高速集成电路硬件描述语言VHDL在FPGA中实现视频图形阵列(VGA)显示控制，在VGA显示设备上输出闪烁的图形实现脑机接口视觉刺激。本实用新型所述脑机接口视觉刺激器包括四部分：基于FPGA的VGA控制器、VGA数模转换器、VGA接口和VGA显示设备。 

在FPGA芯片中采用VHDL编程实现VGA控制，VGA控制器包括分频模块、 扫描时序产生模块、图像描述模块、刺激频率控制模块、光标控制模块，产生包括行同步HS信号、场同步VS信号和RGB数字信号等图形刺激信号，RGB数字信号经VGA数模转换器转换为RGB模拟信号，RGB模拟信号与行同步HS信号和场同步VS信号均送入VGA接口。HS、VS信号和模拟RGB信号经VGA接口驱动VGA显示设备生成视觉刺激图形实现视觉刺激。 

VGA显示控制器通过VHDL编程方式在FPGA芯片中实现，图像格式为640×480，60Hz。